EP2277035B2 - Eine auswerte- und steuereinheit für eine breitband-lamdasonde - Google Patents

Eine auswerte- und steuereinheit für eine breitband-lamdasonde

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EP2277035B2
EP2277035B2 EP09742080.6A EP09742080A EP2277035B2 EP 2277035 B2 EP2277035 B2 EP 2277035B2 EP 09742080 A EP09742080 A EP 09742080A EP 2277035 B2 EP2277035 B2 EP 2277035B2
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EP
European Patent Office
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evaluation
control unit
unit according
pump current
pump
Prior art date
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EP09742080.6A
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EP2277035A1 (de
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Rolf Reischl
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication of EP2277035B1 publication Critical patent/EP2277035B1/de
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/24—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means
    • F02D41/26—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means using computer, e.g. microprocessor
    • F02D41/28—Interface circuits
    • F02D2041/281—Interface circuits between sensors and control unit
    • F02D2041/285—Interface circuits between sensors and control unit the sensor having a signal processing unit external to the engine control unit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1454—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
    • F02D41/1456—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio with sensor output signal being linear or quasi-linear with the concentration of oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1493—Details
    • F02D41/1495—Detection of abnormalities in the air/fuel ratio feedback system

Definitions

  • the invention relates to an evaluation and control unit for a broadband lambda sensor.
  • a regulated three-way catalytic converter is used. This ensures that the exhaust components carbon monoxide, hydrocarbons, and nitrogen oxides are significantly reduced. It consists of a ceramic body with numerous small channels and precious metal pigments that perform the actual catalytic function. When exhaust gases pass over the hot catalyst surface, these exhaust components decompose into the harmless compounds water, nitrogen, and carbon dioxide.
  • the engine requires a balanced stoichiometric mixture that is neither rich nor lean. This is ensured by the use of a lambda sensor, which measures the oxygen content in the exhaust gas and reports it to a control unit. This then influences, for example, an injection system to provide the required mixture at that moment.
  • An oxygen sensor used as a mixture ratio sensor is known from the US-A-4,568,443 known.
  • a measuring element of the sensor is designed with an internal gas diffusion chamber that communicates with an external space containing the gas to be measured.
  • the measuring element has a measuring device for determining the oxygen concentration of the atmosphere or of the gas in the internal gas diffusion chamber, into which the measuring gas is introduced under a predetermined diffusion resistance.
  • the measuring device emits an output signal that indicates the oxygen concentration.
  • the measuring element has an oxygen pump device that is operated with a pump current dependent on the output signal of the measuring device, so that the oxygen concentration in the gas diffusion chamber is maintained at a predetermined value.
  • the pump current supplied to the oxygen pump device is used to record a parameter that describes the oxygen concentration of the measuring gas, i.e., the exhaust gases generated by the combustion of an air/fuel mixture.
  • a method for controlling a sensor for determining an oxygen concentration in a gas mixture, in particular in exhaust gases from internal combustion engines, is known.
  • a detection voltage corresponding to the oxygen concentration, supplied by a Nernst measuring cell is converted by a circuit arrangement into a pump voltage for a pump cell.
  • an anodic or cathodic total current flows through the pump cell.
  • the pump cell and/or the Nernst measuring cell is subjected to at least one voltage pulse, provided independently of the measured detection voltage or the resulting pump current, in such a way that the sensor is depolarized.
  • a method for operating a nitrogen oxide sensor for determining the nitrogen oxide concentration in a gas mixture, particularly in the exhaust gas aftertreatment of a motor vehicle, is known.
  • An electrical pump voltage causing a pump current is applied between an inner pump electrode and an outer pump electrode of a pump cell.
  • a constant oxygen partial pressure is set in a first measuring gas chamber by pumping oxygen in or out.
  • the pump voltage is regulated in such a way that a constant voltage value is set at the electrodes of a concentration cell.
  • a NOx-sensitive third electrode arranged in a second measuring gas chamber is operated as a second pump cell in which a limit pump current is set that indicates the NOx concentration.
  • the pump current is switched off or reduced in a controlled manner, and the NOx concentration is recorded.
  • a method and device for measuring a gas concentration in a sample gas using a sensor are known.
  • the sensor has an outer electrode connected to a solid electrolyte and exposed to the solid gas, and an electrode connected to the solid electrolyte, between which oxygen can be pumped by means of a pump current flowing through the solid electrolyte.
  • the pump current is driven between the reference electrode and the electrode.
  • a pulse sequence comprising several individual pulses with the same pulse width is periodically used as the pump current, with the pulse width being adjusted by a digital or analog controller to set the level of the pump current.
  • a gas sensor in particular a lambda probe, and a method for controlling a gas sensor are known.
  • the gas sensor has a first electrode exposed to a measurement gas and a second electrode exposed to a reference gas. Furthermore, a control and evaluation circuit is provided. This is fed a signal about the operating states of the overall system. In operating states in which the measurement gas largely corresponds to the reference gas or the concentration of a gas component corresponds to it, the control and evaluation circuit automatically compares the measurement signal with a predetermined value. This enables to provide a gas sensor that has a long service life and good measurement accuracy even when used in corrosive gas mixtures.
  • a method for operating a broadband lambda sensor for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine operated with a fuel-air mixture in which a repeated polarity reversal of the pump voltage is carried out during a fuel post-injection in lean operation of the internal combustion engine and/or during the warm-up phase of the lambda sensor.
  • a pulse sequence of voltage pulses with a constant amplitude is applied to the pump cell, and an effective pump current is set by pulse width modulation of the voltage pulses as a function of the Nernst voltage of the Nernst cell.
  • a pulse sequence of voltage pulses with a constant pulse width can be applied to the pump cell, and an effective pump current can be set by changing the amplitudes of the voltage pulses as a function of the Nernst voltage of the Nernst cell.
  • the pulse operation of the pulse cell can be maintained continuously in lean and rich operation of the internal combustion engine.
  • This sensor element is known which is intended for determining the oxygen partial pressure in the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • This sensor element contains at least one electrochemical measuring cell comprising a first electrode and a second electrode which are electrically connected by a solid electrolyte.
  • the second electrode is arranged in a gas space which is connected to the measuring gas located outside the sensor element via a first element comprising a catalytically active material and a second diffusion-limiting element.
  • the first element has a length of at least 1 mm in the diffusion direction of the measuring gas. This enables the sensor element to measure the oxygen partial pressure of the measuring gas with an increased response speed. Furthermore, an accurate measurement of the oxygen partial pressure is also possible with so-called non-equilibrium measuring gas or multi-component measuring gas.
  • the CJ125 integrated circuit developed by the applicant is known. It is a control and amplifier circuit for a broadband lambda sensor. This circuit is connected between the broadband lambda sensor and a microcomputer. Its task is, among other things, to evaluate the Nernst voltage supplied by the broadband lambda sensor using an analog evaluation concept and to supply the broadband lambda sensor with a pump voltage dependent on the Nernst voltage. Product information about this integrated circuit is available online at www.semiconductors.bosch.de/pdf/CJ125_Product_Info.pdf.
  • document DE 198 36 128 A1 discloses an evaluation and control unit for a broadband lambda probe, comprising a signal processing unit, an analog-to-digital converter connected to the signal processing unit, a pump current regulator connected to the analog-to-digital converter, a controller connected to the pump current regulator, a pump current source for providing a pump current, an inner pump electrode connection, an outer pump electrode connection, and a reference electrode connection, wherein the signal processing unit is provided for determining an actual value for the pump current regulator of the lambda probe.
  • An evaluation and control unit with the features specified in claim 1 has the advantage that, in addition to determining the actual value for the pump current controller, it also determines further information about the operating state of the broadband lambda sensor and makes it available at a digital interface.
  • This additional information can be used in a variety of ways, for example, to implement cable diagnostics according to CARB, to ensure that the electrode connections RE, IPE, and APE of the broadband lambda sensor do not leave a permitted voltage range of 0 V to Umax in any operating state, to continuously observe the electrode polarization of the broadband lambda sensor, to monitor the broadband lambda sensor for aging, to observe the lambda passage when a limit current sensor is present, and to detect the operational readiness of the present lambda sensor.
  • the existing signal conditioning unit which is intended to determine an actual value for the pump current controller and to determine the internal resistance of the lambda sensor, can be used.
  • the additional information about the operating status of the broadband lambda sensor determined by the signal processing unit is fed directly to the digital interface via an analog-to-digital converter. From there, it can be fed without delay, for example, to a connected microcontroller. This, in turn, can evaluate the additional information transmitted and quickly initiate any necessary reactions, such as changing the fuel mixture or displaying a warning signal.
  • An alternative embodiment consists in converting the additional information about the operating state of the broadband lambda sensor determined by the signal processing unit into an analog-to-digital converter. To temporarily store or collect the data in the buffer memory of the evaluation and control unit and to output the collected information in the form of a data burst via the digital interface.
  • a further alternative embodiment consists in storing the additional information about the operating state of the broadband lambda sensor determined by the signal processing unit after an analog-to-digital conversion in a buffer of the evaluation and control unit under predetermined addresses, so that, for example, an external microcontroller has the option of accessing desired additional information about the operating state of the broadband lambda sensor via the digital interface by appropriately addressing the buffer.
  • the evaluation and control unit comprises a single pumping current source, which is connected via a switch to the inner pumping electrode connection of the evaluation and control unit and via another switch to the outer pumping electrode connection of the evaluation and control unit. This allows the current direction to be organized in the desired manner by appropriately controlling these switches.
  • the pump current is a pulsed pump current with a fixed frequency, a variable duty cycle, and an adjustable sign. This allows the actual value for the pump current controller, the internal resistance of the lambda sensor, and other information about the operating state of the lambda sensor to be determined during the pulse pauses of this pulsed pump current.
  • the signal conditioning unit acquires data during each pulse interval to determine the actual value for the pump current controller. This has the advantage that the pump current controller can react quickly to changes in the actual values.
  • the signal conditioning unit preferably acquires data in consecutive pulse intervals to determine various additional information about the operating status of the broadband lambda sensor, with this data preferably being acquired cyclically. This keeps the amount of information acquired in each pulse interval to a minimum and reduces the requirements for signal processing speed.
  • the evaluation and control unit contains a parameter memory in which a data set corresponding to a predefined control characteristic of the digital controller is stored and which can be loaded via SPI.
  • a parameter memory in which a data set corresponding to a predefined control characteristic of the digital controller is stored and which can be loaded via SPI.
  • the evaluation and control unit can be used in conjunction with different types of lambda sensors or in conjunction with lambda sensors from different manufacturers.
  • the evaluation and control unit can be used with broadband sensors with a reference electrode from the applicant and other manufacturers, and can also be used with limit current sensors.
  • the evaluation and control unit can be connected in the form of a stand-alone component between the respective lambda sensor and a control unit or, alternatively, can be an integrated component of a control unit in the form of an ASIC.
  • the ability to store various parameter data sets in the evaluation and control unit also creates the prerequisite for the evaluation and control unit to be used in conjunction with probes from different manufacturers.
  • the evaluation and control unit preferably has several additional switches, whose switch control signals are provided by the controller. These additional switches advantageously ensure that a desired connection or connections of the evaluation and control unit are connected to a desired reference potential, for example, ground, in order to provide the signal processing unit with a currently desired measured value.
  • a desired reference potential for example, ground
  • the Figure 1 shows a sketch of an evaluation and control unit connected to a broadband lambda sensor, a connector and a microcontroller.
  • Figure 2 illustrates examples of the generation of the pulsed pump current.
  • Figure 3 shows embodiments of a signal processing in the signal processing unit 5 of Figure 1 .
  • the Figure 1 shows a diagram of an evaluation and control unit 1 connected to a broadband lambda probe 2, a control unit 3, and a probe connector 4.
  • the control and evaluation unit 1 can also be an integrated component of a control unit, as illustrated by the dashed line 3'.
  • the control and evaluation unit 1 is preferably implemented in the form of an ASIC, i.e., in the form of an application-specific integrated circuit.
  • the evaluation and control unit 1 has a multitude of connections. These connections include an application resistance connection RIR, an application resistance connection RIP, a calibration resistance connection CAL, a reference electrode connection RE, a measurement input REM, an inner pump electrode connection IPE, a measurement input APM, an outer pump electrode connection APE, a measurement input MEM, a ground resistance connection RG, a measurement input MES, voltage supply connections UC5, UC3, UB, and UCS, a clock input TAKT, an input KW0 for a crankshaft signal, four SPI connections, and a ground connection GND.
  • connections include an application resistance connection RIR, an application resistance connection RIP, a calibration resistance connection CAL, a reference electrode connection RE, a measurement input REM, an inner pump electrode connection IPE, a measurement input APM, an outer pump electrode connection APE, a measurement input MEM, a ground resistance connection RG, a measurement input MES, voltage supply connections UC5, UC3, UB, and UCS, a clock input TA
  • the reference electrode connection RE of the control and regulation unit 1 is connected to the reference electrode connection RE of the broadband lambda probe 2.
  • the inner pump electrode connection IPE of the control and regulation unit 1 is connected to the inner pump electrode connection IPE of the broadband lambda probe 2.
  • the outer pump electrode connection APE of the control and regulation unit 1 is connected to the outer pump electrode connection APE of the broadband lambda probe 2.
  • the measuring input MES of the control and regulation unit 1 is connected to the outer pump electrode connection APE of the broadband lambda probe 2 via an ohmic resistor R Code , which is part of the connector 4.
  • a clock signal Takt generated in ⁇ C3 is fed to the clock input TAKT of control unit 1.
  • a crankshaft signal KW0 is fed from uC3 to the input KW0 of control unit 1.
  • the crankshaft signal KW0 couples the times at which measurement data is acquired in control unit 1 with timing sequences in the engine control system.
  • the uC 3 is connected via a data bus to a digital interface 8 of the control unit 1, implemented as an SPI interface.
  • This data bus enables bidirectional data exchange between the uC 3 and the control unit 1.
  • the application resistance connection RIR of the control and regulation unit 1 is connected to a reference potential via an ohmic resistor R ipref and is connected to a reference current source 12 within the control and regulation unit 1.
  • the application resistance connection RIP of the control and regulation unit 1 is connected to ground via an ohmic resistor R ip and is connected to a pump current source 11 within the control and regulation unit 1.
  • the calibration resistance connection CAL of the control and regulation unit 1 is connected to a reference potential via an ohmic resistor R cal and is connected to the reference current source 12 within the control and regulation unit 1 via a switch S9.
  • the reference electrode terminal RE of the control and regulation unit 1 is connected to the measurement input REM via an ohmic resistor R fr .
  • the measurement input REM is connected to the inner pump electrode terminal IPE of the control and regulation unit 1 via a capacitor C fr .
  • Another capacitor C r is connected in parallel to the series connection of R fr with C fr , which is consequently also connected between the reference electrode RE of the broadband lambda sensor 2 and the inner pump electrode IPE of the broadband lambda sensor 2.
  • the inner pump electrode terminal IPE of the control and regulation unit 1 is connected to the measuring input APM via a capacitor C fp .
  • the measuring input APM is connected to the outer pump electrode terminal APE of the control and regulation unit 1 via an ohmic resistor R fp .
  • a capacitor C p is connected in parallel to the series connection of C fp and R fp , which is consequently also connected between the inner pump electrode IPE of the broadband lambda sensor 2 and the outer pump electrode APE of the broadband lambda sensor.
  • a series connection of two capacitors C st1 and C st2 is connected in parallel to the capacitor C p . The connection point between the capacitors C st1 and C st2 is connected to ground.
  • the outer pump electrode terminal APE of the control and regulation unit 1 is connected to the measuring input MEM via a capacitor C fm .
  • the measuring input MEM is connected to the measuring input MES of the control and regulation unit 1 via an ohmic resistor R fm .
  • a measuring resistor R mess is connected in parallel to the series connection of C fm and R fm . This resistor is therefore also connected in parallel to the resistor R code of connector 4.
  • the ground resistance terminal RG of control unit 1 is connected to ground via an ohmic resistor R GND .
  • the measurement input MES of control unit 1 is connected to ground via a capacitor C st3 .
  • the reference electrode terminal RE of the control and regulation unit 1 is connected to the reference current source 12 via a switch S10. Furthermore, the reference electrode terminal RE is connected to a reference voltage of Xvm •U cc via a series connection of two switches S8 and S11. The connection point between the switches S8 and S11 is connected to ground via a switch S4. Furthermore, the connection point between the switches S8 and S11 is also connected to the internal pump electrode terminal IPE of the control and regulation unit 1.
  • the inner pump electrode terminal IPE of the control and regulation unit 1 is also connected to the ground resistance terminal RG of the control and regulation unit 1 within the control and regulation unit 1 via a switch S2.
  • the outer pump electrode terminal APE is connected to the ground resistance terminal RG of the control and regulation unit 1 within the control and regulation unit 1 via a switch S1.
  • the outer pump electrode terminal APE of the control and regulation unit 1 is also connected to ground GND within the control and regulation unit via a switch S3.
  • the ground resistance terminal RG of the control and regulation unit 1 is connected within the control and regulation unit 1 via a switch S12 to the measurement input MES of the control and regulation unit 1.
  • the measurement input MES of the control and regulation unit 1 is connected to ground GND within the control and regulation unit 1 via a switch S5.
  • the switch control signals s1,...,s12 for the aforementioned switches S1,...,S12 are provided by a controller 10.
  • the controller 10 generates these switch control signals as a function of the clock signal Takt, which is provided by the control unit 3', of data signals provided by the ⁇ C 3 and fed to the controller via the digital interface 8, and of the output signals of the digital controller 7.
  • the main task of the digital controller 7 is to generate a pump current control signal for the controller 10 from the input signals fed to it and to feed it to the controller 10. This pump current control signal influences the pulse width and current direction of the pulsed pump current.
  • the digital controller 7 compares actual value signals supplied to it via the analog-to-digital converter 6 with setpoint signals and generates the pump current control signals depending on the result of this comparison.
  • the controller 10 is also connected on the output side to the signal conditioning unit 5 and the analog-to-digital converter 6 in order to supply these modules with timing signals that are synchronized with the clock signal Takt.
  • the digital controller 7 is connected to a buffer 9a.
  • the buffer 9a is designed to store the duty cycle and sign of the pump current pulses and the aforementioned additional information about the operating state of the broadband lambda sensor. Storing the additional information about the operating state in the buffer 9a serves the purpose of collecting the aforementioned additional information about the operating state of the broadband lambda sensor in the buffer and then transmitting the collected additional information in the form of a data burst to the control unit 3 via the digital interface 8.
  • the duty cycle and sign of the pump current pulses and the aforementioned additional information about the operating state of the broadband lambda sensor 2 can also be stored in the buffer 9a at predefined addresses.
  • the external control unit 3 has the option of specifically accessing the desired information about the operating state of the broadband lambda sensor 2 via the digital interface 8 by appropriately addressing the buffer 9a.
  • the digital controller 7 is connected to a parameter memory 9b.
  • This parameter memory 9b stores a data set corresponding to a predefined control characteristic of the digital controller 7.
  • the control characteristic is assigned to a specific type of lambda sensor 2. This ability to change the required control characteristic in the memory 9b enables the control and regulation unit 1 to be used with different lambda sensor types.
  • This universal applicability of the control and regulation unit 1 allows the control and regulation unit 1 to be manufactured in large quantities in the form of an ASIC. This keeps the manufacturing costs of such a control and regulation unit comparatively low.
  • the signal processing unit 5 is used to determine an actual value for the pump current controller 7 and to process the signal for determining the internal resistance R i of the broadband lambda sensor 2. Furthermore, the signal processing unit 5 in the present invention is also intended to determine the aforementioned additional information about the operating state of the broadband lambda sensor. To perform these tasks, the signal processing unit 5 is connected on the input side to the outer pump electrode connection APE, the inner pump electrode connection IPE, the measuring input REM, the measuring input APM, the calibration resistor connection CAL, the measuring input MEM, and the ground resistor connection RG, and receives input signals from there that enable the acquisition of a desired measured value. To provide a desired measured value, the inputs of a differential amplifier are each connected to two potentials to be acquired by a multiplexer controlled by the controller 10. The differential amplifier amplifies the differential signal and passes it on to the ADC with a defined potential reference.
  • the controller 10 generates the switch control signals s6 and s7 for the switches S6 and S7 such that a pulsed pump current with a fixed frequency, variable duty cycle, and adjustable sign occurs at the inner and outer pump electrode terminals, respectively. Furthermore, the controller 10 generates the switch control signals for the other switches such that a desired measured value can be recorded during the pulse pauses and during the current pulse of the pulsed pump current signal.
  • the probe's IPE terminal is also connected to circuit point K via a series circuit of a resistor R zui and a capacitor C2.
  • a voltage U p0ipe drops across the capacitor C2.
  • a current source I(O 2 ) is provided in parallel with the capacitor C2.
  • Circuit point K is further connected to terminal RE via a series circuit of a resistor R1, a capacitor C3, and a resistor R2.
  • the junction point between resistor R1 and capacitor C3 is connected via a resistor R3 to the junction point between capacitor C1 and resistor R iape .
  • the voltage Up can be tapped between terminals APE and IPE.
  • U p U pC + R zua + R zui + R iape ⁇ I p .
  • U p0 can assume values between -2 V and +2 V.
  • the electrode capacitances are typically greater than 100 ⁇ F. This ensures that the charge level is maintained throughout a clock period.
  • Operating cases 1 and 2 correspond to the standard situation and operating cases 3 and 4 to counterpulse operation.
  • control and regulation unit 1 There are two options for the basic functions of control and regulation unit 1, namely pump current regulation:
  • the first option is to evaluate the voltage at the reference electrode RE during the pulse pauses as the actual controller value. This relies more heavily on the Nernst voltage and thus regulates the gas composition in the probe cavity (IPE) more precisely than in systems with analog evaluation. This avoids charge reversals of the electrode capacitances caused by pump current-proportional components of the reference voltage and the associated loss of dynamic range.
  • the second option for pump current regulation is to use the average voltage during a pulse period as the actual controller value, using a sigma-delta converter. This corresponds to the procedure for analog operation.
  • the disadvantages of analog operation which consist of the influence of the pump current-proportional components of Ure and the resulting loss of dynamic range, can be avoided by adjusting the controller setpoint according to the current-proportional component of Ure.
  • the first option is to measure the internal resistance R i at the reference electrode during the pulse pauses. This is the difference between the unloaded voltage Ure, which represents the actual value for the pump current control, and the voltage Ure loaded by the reference current source 12.
  • the RE-IPE reference cell When the probe is cold (R i - cold > 100 kOhm), the RE-IPE reference cell is used to extend the measuring range by switch S8 is bridged. The internal resistance measurement then reflects the resistance value of the switch. If the probe temperature approaches the operating range (R i ⁇ 6 kOhm), this can be determined from the internal resistance measurement. Since the value is available when the probe is cold (R i -cold ⁇ S8), the internal resistance of the probe can be calculated from the cold measurement and the current value.
  • the same reference current source 12 used to generate the reference pump current or an artificial reference oxygen gas at the reference electrode RE with an average current of 20 ⁇ A is used.
  • the probe characteristic curve (Ipcal) is calibrated to the probe's calibration state when the pump cell is de-energized.
  • the pump current source is connected to the measuring resistor, with which the calibration resistor in connector 4 is connected in parallel.
  • the charge states (polarization) measured at the APE and IPE electrodes are taken into account when selecting the ground reference to ensure that the probe connections do not exceed the permissible voltage range of 0 V to Umax.
  • Calibration of the internal resistance measurement is performed when the reference current source 12 is not connected to the reference electrode RE.
  • the reference current source 12 is switched to a precise calibration value R cal in the control unit 3.
  • the voltage drop R cal • I pr is the reference value for the internal resistance measurement when R cal is dimensioned to the target value R i of the temperature control. This compensates for the tolerances of the signal conditioning unit 5.
  • the internal resistance measurement is not interrupted.
  • An offset correction of the signal conditioning unit 5 is performed when no other signal needs to be processed.
  • the same sampling time is specified as for the acquisition of the other measured values.
  • the digitized value is used to correct the measured values.
  • the offset correction is performed for each gain of the signal conditioning unit 5 and for the analog-to-digital converter.
  • the lambda signal flow is not interrupted.
  • the control unit provides a crankshaft trigger signal—as already explained above—from which a time stamp can be selected for each transmission.
  • the Figure 3 shows two embodiments for signal processing in the signal processing unit 5.
  • the potentials present at the terminals APE, IPE, REM, APM, CAL, MEM, GND and RG of the evaluation and control unit 1 are applied to a multiplexer MUX1.
  • the controller 10 supplies the multiplexer MUX1 with switch control signals smux, so that two potentials to be detected are passed on to a downstream differential amplifier Diff.
  • these are U ep and Uem, i.e. the potentials present at the terminals REM and IPE or APM and IPE or APE and MEM or CAL and GND or RG and GND of the evaluation and control unit 1.
  • the differential amplifier amplifies the difference signal and passes it on to the downstream analog-to-digital converter 6 with a defined potential reference.
  • the potentials present at the terminals RE, IPE, APE, MES, RG, CAL and GND of the evaluation and control unit 1 are applied to a multiplexer MUX2.
  • Figure 1 The connections REM, APM and MEM as well as the filters R fr -C fr , R fp -C fp and R fm -Cfm shown in the diagram can be omitted in this example.
  • Figure 2 The multiplexer MUX2 shown is supplied with switch control signals smux by the controller 10.
  • One output of the multiplexer MUX2 is connected to ground via ohmic resistors MUM and R f1 and a capacitor C f1 .
  • the other output of the multiplexer MUX2 is connected to ground via ohmic resistors MUP and R f2 and a capacitor C f2 .
  • the far-ground terminal of capacitor C f2 is connected to one input of a differential amplifier Diff via an ohmic resistor R EP .
  • the far-ground terminal of capacitor Cf1 is connected to the second input of the differential amplifier Diff via an ohmic resistor REM.
  • a capacitor C fd is connected between the far-ground terminal of capacitor C f1 and the far-ground terminal of capacitor C f2 .
  • the signals present at the inputs of the differential amplifier Diff are the potentials present at the terminals RE and IPE or APE and IPE or APE and MES or CAL and GND or RG and GND of the control and regulation unit 1.
  • the differential amplifier amplifies the differential signal and passes it on to the downstream analog-to-digital converter 6 with a defined potential reference.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Auswerte- und Steuereinheit für eine Breitband-Lambdasonde.
    • Stand der Technik
  • Zum Erreichen der heute geforderten Abgasgrenzwerte bei Kraftfahrzeugen wird ein geregelter Dreiwegekatalysator verwendet. Dieser sorgt dafür, dass die Abgaskomponenten Kohlemonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide stark reduziert werden. Er besteht aus einem Keramikkörper, der sehr viele kleine Kanäle aufweist und mit Edelmetallpigmenten bestückt ist, die die eigentliche Katalysatorfunktion wahrnehmen. Streichen Abgase über die heiße Katalysatoroberfläche, dann zerlegen sich die genannten Abgaskomponenten in die harmlosen Verbindungen Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid.
  • Damit die genannten Abgase miteinander reagieren, benötigt der Motor ein ausgewogenes stöchiometrisches Gemisch, das weder fett noch mager sein darf. Dies wird durch Verwendung einer Lambdasonde sichergestellt, die den Sauerstoffgehalt im Abgas misst und ihn an ein Steuergerät meldet. Dieses beeinflusst dann beispielsweise eine Einspritzanlage derart, dass das momentan benötigte Gemisch bereitgestellt wird.
  • Ein als Gemischverhältnissensor eingesetzter Sauerstoffsensor ist aus der US-A-4,568,443 bekannt. Bei diesem Sauerstoffsensor ist ein Messelement des Sensors mit einer inneren Gasdiffusionskammer ausgebildet, die mit einem Außenraum in Verbindung steht, der das zu messende Gas enthält. Das Messelement hat eine Messvorrichtung zum Ermitteln der Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre bzw. des Gases in der inneren Gasdiffusionskammer, in welcher sich das unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand eingeleitete Messgas befindet. Die Messvorrichtung gibt ein Ausgangssignal ab, das die Sauerstoffkonzentration anzeigt. Des Weiteren weist das Messelement eine Sauerstoffpumpvorrichtung auf, die mit einem vom Ausgangssignal der Messvorrichtung abhängigen Pumpstrom betrieben wird, so dass die Sauerstoffkonzentration in der Gasdiffusionskammer auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Der der Sauerstoffpumpvorrichtung zugeführte Pumpstrom wird ein Parameter erfasst, der die Sauerstoffkonzentration des Messgases beschreibt, d. h. die Abgase, die durch die Verbrennung eines Luft/Brennstoff-Gemisches erzeugt werden.
  • Aus der DE 198 38 466 A1 ist ein Verfahren zum Ansteuern eines Messfühlers zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, bekannt. Dabei wird eine der Sauerstoffkonzentration entsprechende, von eine Nernst-Messzelle gelieferte Detektionsspannung von einer Schaltungsanordnung in eine Pumpspannung für eine Pumpzelle umgesetzt. Je nach Sauerstoffgehalt des Gasgemisches fließt ein anodischer oder ein kathodischer Gesamtstrom über die Pumpzelle. Bei stabilem Betrieb des Messfühlers, bei dem über eine wählbare Zeitspanne ein anodischer Grenzstrom fließt, wird die Pumpzelle und/oder die Nernst-Messzelle mit wenigstens einem, unabhängig von der gemessenen Detektionsspannung bzw. dem sich einstellenden Pumpstrom bereitgestellten Spannungspuls derart beaufschlagt, dass eine Depolarisierung des Messfühlers erfolgt.
  • Aus der DE 101 45 804 B4 ist eine Verfahren zum betrieb eines Stickoxidsensors zur Bestimmung der Stickoxidkonzentration in einem Gasgemisch, insbesondere bei der Abgasnachbehandlung eines Kraftfahrzeugs bekannt. Dabei wird zwischen einer inneren Pumpelektrode und einer äußeren Pumpelektrode einer Pumpzelle eine eine Pumpstrom bewirkende elektrische Pumpspannung angelegt. Mittels dieser wird in einem ersten Messgasraum durch Zu- oder Abpumpen von Sauerstoff ein konstanter Sauerstoffpartialdruck eingestellt. Die Pumpspannung wird derart geregelt, dass sich an den Elektroden einer Konzentrationszelle ein konstanter Spannungswert einstellt. Eine in einem zweiten Messgasraum angeordnete NOx-sensitive dritte Elektrode wird als zweite Pumpzelle betrieben, in der sich ein Grenzpumpstrom einstellt, der die NOx-Konzentration angibt. Innerhalb eines Messzeitfensters wird der Pumpstrom abgeschaltet oder kontrolliert reduziert und die NOx-Konzentration erfasst.
  • Aus der DE 102 21 392 B4 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Gas-Konzentration in einem Messgas mittels eines Messaufnehmers bekannt. Der Messaufnehmer weist eine Außenelektrode, die mit einem Festkörperelektrolyten verbunden und dem Festgas ausgesetzt ist, und eine mit de Festkörperelektrolyten verbundene Elektrode auf, zwischen denen mittels eines durch den Festkörperelektrolyten fließenden Pumpstromes Sauerstoff pumpbar ist. Dabei wird der Pumpstrom zwischen die Referenzelektrode und die Elektrode getrieben. Als Pumpstrom wird periodisch eine Pulsfolge mit mehreren Einzelpulsen mit derselben Pulsbreite verwendet, wobei die Pulsbreite zur Einstellung eines Pegels des Pumpstroms von einem digitalen oder einem analogen Regler eingestellt wird.
  • Aus der DE 101 63 912 A1 sind ein Gassensor, insbesondere eine Lambdasonde, und ein Verfahren zur Steuerung eines Gassensors bekannt. Dabei weist der Gassensor eine erste, einem Messgas ausgesetzte Elektrode und eine zweite, einem Referenzgas ausgesetzte Elektrode auf. Des Weiteren ist eine Regel- und Auswerteschaltung vorgesehen. Dieser wird ein Signal über Betriebszustände des Gesamtsystems zugeführt. Bei Betriebszuständen, bei denen das Messgas weitgehend oder in der Konzentration einer Gaskomponente dem Referenzgas entspricht, vergleicht die Regel- und Auswerteschaltung das Messsignal automatisch mit einem vorgegebenen Wert. Dies ermöglicht es, einen Gassensor bereitzustellen, der auch bei einem Einsatz in korrosiven Gasgemischen eine hohe Standzeit und eine gute Messgenauigkeit aufweist.
  • Aus der DE 102 16 724 C1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch betriebenen Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher eine wiederholte Umpolung der Pumpspannung währen der Dauer einer Kraftstoffnacheinspritzung im Magerbetrieb der Brennkraftmaschine und/oder während der Aufheizphase der Lambdasonde vorgenommen wird. Zur wiederholten Umpolung der Pumpspannung wird an die Pumpzelle eine Pulsfolge von Spannungspulsen mit konstanter Amplitude gelegt und es wird durch eine Pulsweitenmodulation der Spannungspulse in Abhängigkeit von der Nernstspannung der Nernstzelle ein effektiver Pumpstrom eingestellt. Alternativ dazu kann zur wiederholten Umpolung der Pumpspannung an die Pumpzelle eine Pulsfolge von Spannungspulsen mit konstanter Pulsbreite gelegt werden und durch ein Änderung der Amplituden der Spannungspulse in Abhängigkeit von der Nernstspannung der Nernstzelle ein effektiver Pumpstrom eingestellt werden. Der Pulsbetrieb der Pulszelle kann im Mager- und Fettbetrieb der Brennkraftmaschine durchgehend beibehalten werden.
  • Aus der DE 10 2004 047 797 A1 ist ein weiteres Sensorelement bekannt, welches zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks in einem Abgas einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Dieses Sensorelement enthält mindestens eine elektrochemische Messzelle, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, die durch einen Festelektrolyten elektrisch verbunden sind. Die zweite Elektrode ist in einem Gasraum angeordnet, der mit dem außerhalb des Sensorelementes befindlichen Messgas über ein erstes, ein katalytisch aktives Material aufweisendes Element und ein zweites, diffusionsbegrenzendes Element verbunden ist. Das erste Element weist in Diffusionsrichtung des Messgases eine Länge von mindestens 1 mm auf. Dies ermöglicht dem Sensorelement, den Sauerstoffpartialdruck des Messgases mit einer vergrößerten Ansprechgeschwindigkeit zu messen. Weiterhin ist eine genaue Messung des Sauerstoffpartialdrucks auch bei sogenanntem Ungleichgewichtsmessgas oder Mehrkomponentenmessgas möglich.
  • Des Weiteren ist der von der Anmelderin entwickelte integrierte Schaltkreis CJ125 bekannt, bei dem es sich um einen Kontroll- und Verstärkerkreis für einen Breitband-Lambdasensor handelt. Dieser Schaltkreis wird zwischen den Breitband-Lambdasensor und einen Mikrocomputer geschaltet. Seine Aufgabe besteht unter anderem darin, die vom Breitband-Lambdasensor gelieferte Nernstspannung mittels eines analogen Auswertekonzeptes auszuwerten und dem Breitband-Lambdasensor eine von der Nernstspannung abhängige Pumpspannung zuzuführen. Produktinformationen über diesen integrierten Schaltkreis sind aus dem Internet unter der Adresse www.semiconductors.bosch.de/pdf/CJ125_Product_Info.pdf abrufbar.
  • Dokument DE 198 36 128 A1 offenbart eine Auswerte-und Steuereinheit für eine Breitband-Lambdasonde, mit einer Signalaufbereitungseinheit, elnem mit der Signalaufbereitungseinheit verbundenen Analog-Digital-Wandler, einem mit dem Analog-Digital-Wandler verbundenen Pumpstromregler, einer mit dem Pumpstromregler verbundenen Steuerung, einer Pumpstromquelle zur Bereitstellung eines Pumpstromes, einem inneren Pumpelektrodenanschluss ; einem äußeren Pumpelektrodenanschluss und einem Referenzelektrodenanschluss, wobei die Signalaufbereitungseinheit zur Ermittlung eines Istwertes für den Pumpstromregler der Lambdasonde vorgesehen ist.
    • Vorteile der Erfindung
  • Eine Auswerte- und Steuereinheit mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist den Vorteil auf, dass sie zusätzlich zu einer Ermittlung des Istwertes für den Pumpstromregler auch weitere Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde ermittelt und an einer Digitalschnittstelle zur Verfügung stellt. Diese weiteren Informationen können in vielfältiger Weise verwendet werden, beispielsweise zur Realisierung einer Kabeldiagnose nach CARB, zur Sicherstellung, dass die Elektrodenanschlüsse RE, IPE und APE der Breitband-Lambdasonde in jedem Betriebszustand einen erlaubten Spannungsbereich von 0 V bis Umax nicht verlassen, zur kontinuierlichen Beobachtung der Elektrodenpolarisation der Breitband-Lambdasonde, zu einer Überwachung der Breitband-Lambdasonde im Hinblick auf deren Alterung, zur Beobachtung des Lambdal-Durchganges beim Vorliegen einer Grenzstromsonde und zur Detektion der Betriebsbereitschaft der vorliegenden Lambdasonde. Dadurch wird die Funktionalität einer Auswerte- und Steuereinheit erweitert.
  • Zur Ermittlung dieser weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde kann die ohnehin vorhandene, zur Ermittlung eines Istwertes für den Pumpstromregler und zur Ermittlung des Innenwiderstandes der Lambdasonde vorgesehene Signalaufbereitungseinheit mitverwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden die von der Signalaufbereitungseinheit ermittelten weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde über einen Analog-Digital-Wandler direkt der Digitalschnittstelle zugeführt. Von dort aus können sie verzögerungsfrei beispielsweise einem angeschlossenen uC zugeführt werden. Dieses wiederum kann die übertragenen weiteren Informationen auswerten und eventuell notwendige Reaktionen, beispielsweise eine Änderung des Kraftstoffgemisches oder die Anzeige eines Warnsignals, schnell in die Wege leiten.
  • Eine alternative Ausführungsform besteht darin, die von der Signalaufbereitungseinheit ermittelten weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde nach einer Analog-Digital-Wandlung in einem Zwischenspeicher der Auswerte- und Steuereinheit zwischenzuspeichern bzw. dort zu sammeln und die gesammelten Informationen in Form eines Datenbursts über die Digitalschnittstelle auszugeben.
  • Eine weitere alternative Ausführungsform besteht darin, die von der Signalaufbereitungseinheit ermittelten weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde nach einer Analog-Digital-Wandlung in einem Zwischenspeicher der Auswerte- und Steuereinheit unter vorgegebenen Adressen zu speichern, so dass beispielsweise ein externer uC die Möglichkeit hat, über die Digitalschnittstelle durch eine geeignete Adressierung des Zwischenspeichers auf gewünschte weitere Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde zuzugreifen.
  • In vorteilhafter Weise weist die Auswerte- und Steuereinheit eine einzige Pumpstromquelle auf, die über einen Schalter mit dem inneren Pumpelektrodenanschluss der Auswerte- und Steuereinheit und über einen weiteren Schalter mit dem äußeren Pumpelektrodenanschluss der Auswerte- und Steuereinheit verbunden ist. Dies ermöglicht es, durch eine geeignete Steuerung dieser Schalter die Stromrichtung in gewünschter Weise zu organisieren.
  • In vorteilhafter Weise handelt es sich bei dem Pumpstrom um einen impulsförmigen Pumpstrom, der eine feste Frequenz, ein veränderbares Tastverhältnis und ein einstellbares Vorzeichen aufweist. Dies erlaubt es, den Istwert für den Pumpstromregler, den Innenwiderstand der Lambdasonde und die weiteren Informationen über den Betriebszustand der Lambdasonde während der Impulspausen dieses impulsförmigen Pumpstromes zu ermitteln.
  • Vorzugsweise erfasst die Signalaufbereitungseinheit in jeder Impulspause Daten zur Ermittlung des Istwertes für den Pumpstromregler. Dies hat den Vorteil, dass die Regelung des Pumpstromes schnell auf geänderte Istwerte reagieren kann.
  • Des Weiteren erfasst die Signalaufbereitungseinheit vorzugsweise in aufeinanderfolgenden Impulspausen Daten zur Ermittlung unterschiedlicher weiterer Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde, wobei diese Daten vorzugsweise zyklisch erfasst werden. Dies hält die Anzahl der in jeder Impulspause ermittelten Informationen niedrig und reduziert die Anforderungen an die Signalverarbeitungsgeschwindigkeit.
  • Vorzugsweise enthält die Auswerte- und Steuereinheit einen Parameterspeicher, in welchem ein Datensatz abgespeichert ist, der einer vorgegebenen Regelcharakteristik des digitalen Reglers entspricht und der über SPI geladen werden kann. Dies ermöglicht es, die Auswerte und Steuereinheit im Zusammenhang mit verschiedenen Typen von Lambdasonden bzw. im Zusammenhang mit Lambdasonden unterschiedlicher Hersteller verwenden zu können. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinheit zusammen mit Breitbandsonden mit Referenzelektrode der Anmelderin und anderer Hersteller verwendet werden und auch zusammen mit Grenzstromsonden verwendet werden.
  • Die Auswerte- und Steuereinheit kann in Form eines eigenständigen Bauteils zwischen die jeweils vorliegende Lambdasonde und ein Steuergerät geschaltet werden oder alternativ dazu auch in Form eines ASICs integrierter Bestandteil eines Steuergerätes sein.
  • Durch die Möglichkeit, verschiedene Parameterdatensätze in der Auswerte- und Steuereinheit abzuspeichern, wird auch die Voraussetzung dafür geschaffen, dass die Auswerte- und Steuereinheit im Zusammenhang mit Sonden unterschiedlicher Hersteller verwendbar ist.
  • Vorzugsweise weist die Auswerte- und Steuereinheit mehrere weitere Schalter auf, deren Schaltersteuersignale von der Steuerung bereitgestellt werden. Mittels dieser weiteren Schalter wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass ein jeweils gewünschter Anschluss bzw. jeweils gewünschte Anschlüsse der Auswerte- und Steuereinheit mit einem jeweils gewünschten Bezugspotential, beispielsweise Masse, verbunden werden, um der Signalaufbereitungseinheit einen momentan gewünschten Messwert zur Verfügung stellen zu können. Die Bereitstellung der Messwerte und deren Auswertung kann in vorteilhafter Weise in sehr kurzer Zeit erfolgen, so dass das Gesamtsystem schnell notwendige Schritte in die Wege leiten kann.
  • Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Erläuterung anhand der Zeichnung.
    • Zeichnung
  • Die Figur 1 zeigt eine Skizze einer Auswerte- und Steuereinheit, die mit einer Breitband-Lambdasonde, einem Stecker und einem uC verbunden ist. Die Figur 2 veranschaulicht Beispiele für die Erzeugung des pulsförmigen Pumpstromes. Die Figur 3 zeigt Ausführungsbeispiele für eine Signalaufbereitung in der Signalaufbereitungseinheit 5 von Figur 1.
    • Beschreibung
  • Die Figur 1 zeigt eine Skizze einer Auswerte- und Steuereinheit 1, die mit einer Breitband-Lambdasonde 2, einem Steuergerät 3 und einem Sondenstecker 4 verbunden ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit 1 kann alternativ dazu auch integrierter Bestandteil eines Steuergerätes sein, wie es durch die gestrichelte Linie 3' veranschaulicht ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit 1 ist vorzugsweise in Form eines ASICs realisiert, d.h. in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung.
  • Die Auswerte- und Steuereinheit 1 weist eine Vielzahl von Anschlüssen auf. Zu diesen Anschlüssen gehören ein Applikationswiderstandsanschluss RIR, ein Applikationswiderstandsanschluss RIP, ein Kalibrierwiderstandsanschluss CAL, ein Referenzelektrodenanschluss RE, ein Messeingang REM, ein innerer Pumpelektrodenanschluss IPE, ein Messeingang APM, ein äußerer Pumpelektrodenanschluss APE, ein Messeingang MEM, ein Massewiderstandsanschluss RG, ein Messeingang MES, Spannungsversorgungsanschlüsse UC5, UC3, UB und UCS, ein Takteingang TAKT, ein Eingang KW0 für ein Kurbelwellensignal, 4 SPI-Anschlüsse und ein Masseanschluss GND.
  • Der Referenzelektrodenanschluss RE der Steuer- und Regeleinheit 1 ist mit dem Referenzelektrodenanschluss RE der Breitband-Lambdasonde 2 verbunden. Der innere Pumpelektrodenanschluss IPE der Steuer- und Regeleinheit 1 ist mit dem inneren Pumpelektrodenanschluss IPE der Breitband-Lambdasonde 2 verbunden. Der äußere Pumpelektrodenanschluss APE der Steuer- und Regeleinheit 1 ist mit dem äußeren Pumpelektrodenanschluss APE der Breitband-Lambdasonde 2 verbunden. Der Messeingang MES der Steuer-und Regeleinheit 1 ist über einen Ohmschen Widerstand RCode, welcher Bestandteil des Steckers 4 ist, mit dem äußeren Pumpelektrodenanschluss APE der Breitband-Lambdasonde 2 verbunden.
  • Dem Takteingang TAKT der Steuer- und Regeleinheit 1 wird ein im µC3 generiertes Taktsignal Takt zugeführt. Dem Eingang KW0 der Steuer- und Regeleinheit 1 wird vom uC 3 ein Kurbelwellensignal KW0 zugeführt. Letzteres Signal koppelt die Zeitpunkte, an welchen in der Steuer- und Regeleinheit 1 Messdaten erfasst werden, mit Zeitabläufen in der Motorsteuerung.
  • Des Weiteren steht uC 3 über einen Datenbus mit einer als SPI-Schnittstelle realisierten Digitalschnittstelle 8 der Steuer- und Regeleinheit 1 in Verbindung. Über diesen Datenbus erfolgt ein bidirektionaler Datenaustausch zwischen dem uC 3 und der Steuer- und Regeleinheit 1.
  • Der Applikationswiderstandsanschluss RIR der Steuer- und Regeleinheit 1 steht über einen Ohmschen Widerstand Ripref mit einem Referenzpotential in Verbindung und ist innerhalb der Steuer- und Regeleinheit 1 mit einer Referenzstromquelle 12 verbunden. Der Applikationswiderstandsanschluss RIP der Steuer- und Regeleinheit 1 steht über einen Ohmschen Widerstand Rip mit Masse in Verbindung und ist innerhalb der Steuer- und Regeleinheit 1 mit einer Pumpstromquelle 11 verbunden. Der Kalibrierwiderstandsanschluss CAL der Steuer- und Regeleinheit 1 steht über einen Ohmschen Widerstand Rcal mit einem Referenzpotential in Verbindung und ist innerhalb der Steuer- und Regeleinheit 1 über einen Schalter S9 mit der Referenzstromquelle 12 verbunden.
  • Der Referenzelektrodenanschluss RE der Steuer- und Regeleinheit 1 ist über einen Ohmschen Widerstand Rfr mit dem Messeingang REM verbunden. Der Messeingang REM steht über einen Kondensator Cfr mit dem inneren Pumpelektrodenanschluss IPE der Steuer- und Regeleinheit 1 in Verbindung. Parallel zur Reihenschaltung von Rfr mit Cfr ist ein weiterer Kondensator Cr geschaltet, der folglich auch zwischen die Referenzelektrode RE der Breitband-Lambdasonde 2 und die innere Pumpelektrode IPE der Breitband-Lambdasonde 2 geschaltet ist.
  • Der innere Pumpelektrodenanschluss IPE der Steuer- und Regeleinheit 1 ist über einen Kondensator Cfp mit dem Messeingang APM verbunden. Der Messeingang APM steht über einen Ohmschen Widerstand Rfp mit dem äußeren Pumpelektrodenanschluss APE der Steuer- und Regeleinheit 1 in Verbindung. Parallel zur Reihenschaltung von Cfp und Rfp ist ein Kondensator Cp geschaltet, der folglich auch zwischen die innere Pumpelektrode IPE der Breitband-Lambdasonde 2 und die äußere Pumpelektrode APE der Breitband-Lambdasonde geschaltet ist. Des Weiteren ist parallel zum Kondensator Cp eine Reihenschaltung zweier Kondensatoren Cst1 und Cst2 geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren Cst1 und Cst2 ist mit Masse verbunden.
  • Der äußere Pumpelektrodenanschluss APE der Steuer- und Regeleinheit 1 steht über einen Kondensator Cfm mit dem Messeingang MEM in Verbindung. Der Messeingang MEM ist über einen Ohmschen Widerstand Rfm mit dem Messeingang MES der Steuer- und Regeleinheit 1 verbunden. Parallel zur Reihenschaltung von Cfm und Rfm ist ein Messwiderstand Rmess geschaltet. Dieser ist folglich auch parallel zu dem Widerstand RCode des Steckers 4 geschaltet.
  • Der Massewiderstandsanschluss RG der Steuer- und Regeleinheit 1 steht über einen Ohmschen Widerstand RGND mit Masse in Verbindung. Der Messeingang MES der Steuer- und Regeleinheit 1 ist über einen Kondensator Cst3 mit Masse verbunden.
  • Innerhalb der Steuer- und Regeleinheit 1 ist der Referenzelektrodenanschluss RE der Steuer- und Regeleinheit 1 über einen Schalter S10 an die Referenzstromquelle 12 angeschlossen. Des Weiteren steht der Referenzelektrodenanschluss RE über eine Reihenschaltung zweier Schalter S8 und S11 mit einer Referenzspannung von Xvm •Ucc in Verbindung. Der Verbindungspunkt zwischen den Schaltern S8 und S11 ist über einen Schalter S4 mit Masse verbunden. Des Weiteren ist der Verbindungspunkt zwischen den Schaltern S8 und S11 auch mit dem inneren Pumpelektrodenanschluss IPE der Steuer- und Regeleinheit 1 verbunden.
  • Der innere Pumpelektrodenanschluss IPE der Steuer- und Regeleinheit 1 steht innerhalb der Steuer- und Regeleinheit 1 des Weiteren über einen Schalter S2 mit dem Massewiderstandsanschluss RG der Steuer- und Regeleinheit 1 in Verbindung. Der äußere Pumpelektrodenanschluss APE steht innerhalb der Steuer- und Regeleinheit 1 über einen Schalter S1 mit dem Massewiderstandsanschluss RG der Steuer- und Regeleinheit in Verbindung. Ferner ist der äußere Pumpelektrodenanschluss APE der Steuer- und Regeleinheit 1 innerhalb der Steuer- und Regeleinheit auch über einen Schalter S3 auf Masse GND gelegt.
  • Der Massewiderstandsanschluss RG der Steuer- und Regeleinheit 1 ist innerhalb der Steuer- und Regeleinheit 1 über einen Schalter S12 mit dem Messeingang MES der Steuer- und Regeleinheit 1 verbunden. Schließlich steht der Messeingang MES der Steuer- und Regeleinheit 1 innerhalb der Steuer- und Regeleinheit 1 über einen Schalter S5 mit Masse GND in Verbindung.
  • Die Schaltersteuersignale s1,...,s12 für die oben genannten Schalter S1,...,S12 werden von einer Steuerung 10 bereitgestellt. Die Steuerung 10 erzeugt dieses Schaltersteuersignale in Abhängigkeit von dem Taktsignal Takt, welches vom Steuergerät 3' bereitgestellt wird, von Datensignalen, die vom uC 3 bereitgestellt und der Steuerung über die Digitalschnittstelle 8 zugeführt werden und von den Ausgangssignalen des digitalen Reglers 7. Die Hauptaufgabe des digitalen Reglers 7 besteht darin, aus den ihm zugeführten Eingangssignalen ein Pumpstromregelsignal für die Steuerung 10 zu generieren und der Steuerung 10 zuzuführen. Dieses Pumpstromregelsignal beeinflusst die Pulsbreite und die Stromrichtung des impulsförmigen Pumpstromes.
  • Der digitale Regler 7 führt zur Ermittlung seiner für die Steuerung 10 vorgesehenen Pumpstromregelsignale einen Vergleich von ihm über den Analog-Digital-Wandler 6 zugeführten Istwertsignalen mit Sollwertsignalen durch und erzeugt die Pumpstromregelsignale in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleiches.
  • Die Steuerung 10 ist ausgangsseitig auch mit der Signalaufbereitungseinheit 5 und dem Analog-Digital-Wandler 6 verbunden, um diesen Baugruppen Zeitsteuersignale zuzuführen, die mit dem Taktsignal Takt synchronisiert sind.
  • Der digitale Regler 7 ist mit einem Zwischenspeicher 9a verbunden. Der Zwischenspeicher 9a ist zur Abspeicherung des Tastverhältnisses und Vorzeichen der Pumpstromimpulse und der oben genannten weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde vorgesehen. Diese Abspeicherung der weiteren Informationen über den Betriebszustand im Zwischenspeicher 9a hat den Zweck, die genannten weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde im Zwischenspeicher zu sammeln und dann die gesammelten weiteren Informationen in Form eines Datenbursts über die Digitalschnittstelle 8 an das Steuergerät 3 zu übertragen.
  • Alternativ dazu können das Tastverhältnis und Vorzeichen der Pumpstromimpulse und die genannten weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde 2 auch im Zwischenspeicher 9a an vorgegebenen Adressen abgespeichert werden. In diesem Fall besteht für das externe Steuergerät 3 die Möglichkeit, durch eine geeignete Adressierung des Zwischenspeichers 9a über die Digitalschnittstelle 8 gezielt auf gewünschte Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde 2 zuzugreifen.
  • Des Weiteren ist der digitale Regler 7 mit einem Parameterspeicher 9b verbunden. In diesem Parameterspeicher 9b ist ein Datensatz abgespeichert, der einer vorgegebenen Regelcharakteristik des digitalen Reglers 7 entspricht. Die Regelcharakteristik ist einem bestimmten Typ der Lambdasonde 2 zugeordnet. Durch diese Möglichkeit einer Veränderung der jeweils benötigten Regelcharakteristik in dem Speicher 9b ist die Steuer- und Regeleinheit 1 dazu in der Lage, mit unterschiedlichen Lambdasondentypen verwendet werden zu können. Diese universelle Einsetzbarkeit der Steuer- und Regeleinheit 1 erlaubt eine Herstellung der Steuer- und Regeleinheit 1 in Form eines ASICs in großer Stückzahl. Dadurch werden die Fertigungskosten einer derartigen Steuer- und Regeleinheit vergleichsweise niedrig gehalten.
  • Die Signalaufbereitungseinheit 5 dient zur Ermittlung eines Istwertes für den Pumpstromregler 7 und zu einer Signalaufbereitung für die Ermittlung des Innenwiderstandes Ri der Breitband-Lambdasonde 2. Darüber hinaus ist die Signalaufbereitungseinheit 5 bei der vorliegenden Erfindung auch dazu vorgesehen, die genannten weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde zu ermitteln. Um diese Aufgaben durchführen zu können, ist die Signalaufbereitungseinheit 5 eingangsseitig mit dem äußeren Pumpelektrodenanschluss APE, dem inneren Pumpelektrodenanschluss IPE, dem Messeingang REM, dem Messeingang APM, dem Kalibrierwiderstandsanschluss CAL, dem Messeingang MEM und dem Massewiderstandsanschluss RG verbunden und bezieht von dort Eingangssignale, die eine Erfassung eines jeweils gewünschten Messwertes ermöglichen. Um einen gewünschten Messwert bereitzustellen, werden die Eingänge eines Differenzverstärkers durch einen von der Steuerung 10 gesteuerten Multiplexer mit jeweils zwei zu erfassenden Potentialen verbunden. Der Differenzverstärker verstärkt das Differenzsignal und gibt es mit definiertem Potentialbezug an den ADC weiter.
  • Die Steuerung 10 erzeugt die Schaltersteuersignale s6 und s7 für die Schalter S6 und S7 derart, dass am inneren bzw. äußeren Pumpelektrodenanschluss ein impulsförmiger Pumpstrom mit fester Frequenz, veränderbarem Tastverhältnis und einstellbarem Vorzeichen auftritt. Des Weiteren erzeugt die Steuerung 10 die Schaltersteuersignale für die die weiteren Schalter derart, dass ein jeweils gewünschter Messwert während der Impulspausen und während des Stromimpulses des impulsförmigen Pumpstromsignals erfasst werden kann.
  • Nachfolgend wird anhand der Figur 2 die Erzeugung des pulsförmigen Pumpstromes IP erläutert. Dabei ist auf der linken Seite von Figur 2 die Sonde 2 und auf der rechten Seite von Figur 2 ein Sondenersatzschild dargestellt.
  • In der linken Darstellung von Figur 2 sind die Anschlüsse RE, IPE und APE der Sonde sowie die Richtung des Stroms IP und der Spannungen UpO und Up gezeigt.
  • Aus dem auf der rechten Seite zur Figur 2 gezeigten Ersatzschaltbild ist ersichtlich, dass der Anschluss APE der Sonde über eine Reihenschaltung eines Widerstandes Rzua mit einem Kondensator C1 und einem Widerstand Riape mit einem Schaltungspunkt K verbunden ist. Am Kondensator C1 fällt eine Spannung UpOape ab. Parallel zum Kondensator C1 ist eine Stromquelle I(O2) angeordnet.
  • Der Anschluss IPE der Sonde ist über eine Reihenschaltung eines Widerstandes Rzui mit einem Kondensator C2 ebenfalls mit dem Schaltungspunk K verbunden. Am Kondensator C2 fällt eine Spannung Up0ipe ab. Parallel zum Kondensator C2 ist eine Stromquelle I(O2) vorgesehen.
  • Der Schaltungspunkt K ist des Weiteren über eine Reihenschaltung eines Widerstandes R1 mit einem Kondensator C3 und einem Widerstand R2 mit dem Anschluss RE verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R1 und dem Kondensator C3 steht über einen Widerstand R3 mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator C1 und dem Widerstand Riape in Verbindung. Zwischen den Anschlüssen APE und IPE ist die Spannung Up abgreifbar.
  • Für die Spannung Up gilt die folgende Beziehung: U p = U pC + R zua + R zui + R iape · I p .
  • Dabei gilt: U p 0 = U p 0 ape + U pCipe .
  • Up0 kann Werte zwischen -2 V und +2 V annehmen. Die Elektrodenkapazitäten sind üblicherweise größer als 100 µF. Dies hat zur Folge, dass der Ladezustand während einer Taktperiode erhalten bleibt.
  • Es ergeben sich folgende Betriebsfälle (siehe auch Fig. 1):
    1. 1.) Up0 > 0, Ip > 0: Schalter S6 und S4 sind geschlossen;
    2. 2.) Up0 < 0, Ip < 0: Schalter S7 und S3 sind geschlossen;
    3. 3.) Up0 > 0, Ip < 0: Schalter S7 und S1 sind geschlossen;
    4. 4.) Up0 < 0, Ip > 0: Schalter S6 und S2 sind geschlossen.
  • Dabei entsprechen die Betriebsfälle 1 und 2 der Standardsituation und die Betriebsfälle 3 und 4 dem Gegenpulsbetrieb.
  • Durch das Schließen der Schalter S1 bzw. S2 beim Gegenpulsbetrieb wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass aufgrund des Spannungsabfalls Ip • RGND (siehe Figur 1) das Potential an den Anschlüssen APE bzw. IPE nicht unter das Massepotential absinkt. Die Entscheidung über die Wahl des Strompfades wird anhand des Vorzeichens von Up0 getroffen.
  • Für die Grundfunktionen der Steuer- und Regeleinheit 1, nämlich die Pumpstromregelung, bestehen zwei Möglichkeiten: Die erste Möglichkeit besteht darin, als Regleristwert die Spannung an der Referenzelektrode RE in den Pulspausen auszuwerten. Dadurch stützt sich die Regelung in höherem Masse auf die Nernstspannung und regelt damit die Gaszusammensetzung im Sondenhohlraum (IPE) präziser als bei Systemen mit analoger Auswertung. Umladevorgänge der Elektrodenkapazitäten, die durch pumpstromproportionale Anteile der Referenzspannung bedingt sind, und ein damit verbundener Dynamikverlust werden damit vermieden. Die zweite Möglichkeit für die Pumpstromregelung besteht darin, als Regleristwert die durchschnittliche Spannung während einer Pulsperiodendauer zu verwenden, wobei ein Sigma-Delta-Wandler zum Einsatz kommt. Dies entspricht der Vorgehensweise bei analogem Betrieb. Die Nachteile des analogen Betriebes, die in dem Einfluss der pumpstromproportionalen Anteile von Ure und dem dadurch bedingten Dynamikverlust bestehen, können dadurch vermieden werden, dass der Sollwert des Reglers entsprechend dem stromproportionalen Anteil von Ure nachgeführt wird. Der stromproportionale Anteil kann mit den oben beschriebenen Messwerterfassungseinrichtungen als Differenz Ure(Ip)-Ure(Ip=0) erfasst werden.
  • Für die Funktion der Innenwiderstandsmessung ergeben sich die beiden folgenden Möglichkeiten: Die erste Möglichkeit besteht darin, eine Messung des Innenwiderstandes Ri in den Impulspausen an der Referenzelektrode vorzunehmen. Dabei wird die Differenz gebildet zwischen der unbelasteten Spannung Ure, die den Istwert für die Pumpstromregelung darstellt, und der durch die Referenzstromquelle 12 belasteten Spannung Ure. Die zweite Möglichkeit besteht darin, eine Messung des Innenwiderstandes Ri an der Pumpzelle als Differenz der Pumpspannung zwischen APE und IPE unbelastet (Ip=0) und belastet (Ip>0) vorzunehmen. Da das ungünstige Widerstandsverhältnis der Zuleitungswiderstände aus Platin mit positivem Temperaturkoeffizienten die Temperaturmessempfindlichkeit reduziert, entsteht die Notwendigkeit, den Signalanteil der Zuleitung zu kompensieren. Dies ist zum Teil möglich, wenn man die Differenz zwischen Ure(Ip>0 ) - Ure (Ip=0) als Maß für den Zuleitungswiderstand an die innere Pumpelektrode auswertet und damit die Innenwiderstandsmessung korrigiert.
  • Bei kalter Sonde (Ri - kalt > 100 kOhm) wird die Referenzzelle RE-IPE zur Messbereichserweiterung durch den Schalter S8 überbrückt. Die Innenwiderstandsmessung gibt dann den Widerstandswert des Schalters wieder. Nähert sich die Sondentemperatur dem Betriebsbereich (Ri ≈6 kOhm), dann ist dies durch die Innenwiderstandsmessung erkennbar. Da der Wert bei kalter Sonde vorliegt (Ri-kalt ∥S8), kann der Innenwiderstand der Sonde aus der Kaltmessung und dem aktuellen Wert errechnet werden.
  • Für die Erzeugung des Referenzpumpstroms bzw. die Erzeugung eines künstlichen Referenzsauerstoffgases an der Referenzelektrode RE von durchschnittlich 20 µA wird die gleiche Referenzstromquelle 12 benutzt, mit der auch die Innenwiderstandsmessung an der Referenzelektrode durchgeführt wird. Der Durchschnittswert Ipref = 20 µA ergibt sich aus dem zeitlichen Mittelwert des Innenwiderstands-Messimpulses von 80 µs, der Pulsperiodendauer (2 ms →jede dritte Taktperiode) und der Amplitude des Stromimpulses Ipr = 570 µA.
  • Eine Kalibrierung der Sondenkennlinie (Ipcal) auf den Abgleichzustand der Sonde wird dann durchgeführt, wenn die Pumpzelle stromlos ist. Dazu wird die Pumpstromquelle auf den Messwiderstand geschaltet, dem der Abgleichwiderstand im Stecker 4 parallel geschaltet ist. Der Spannungsabfall des Pumpstromes an Rm = Rmess ∥ Rcode multipliziert mit dem eingestellten Tastverhältnis geteilt durch den Nennwert Rmess ergibt den Pumpstrom der Sollkennlinie Ip = f (Lambda). Die an den Elektroden APE und IPE gemessenen Ladungszustände (Polarisation) werden bei der Wahl des Massebezugs berücksichtigt, um sicherzustellen, dass die Sondenanschlüsse den erlaubten Spannungsbereich von 0 V bis Umax nicht verlassen.
  • Eine Kalibrierung der Innenwiderstandsmessung wird dann durchgeführt, wenn die Referenzstromquelle 12 nicht mit der Referenzelektrode RE verbunden ist. Dazu wird die Referenzstromquelle 12 auf einen genauen Kalibrierwert Rcal im Steuergerät 3 geschaltet. Der Spannungsabfall Rcal • Ipr ist der Referenzwert für die Innenwiderstandsmessung, wenn Rcal auf den Zielwert Ri der Temperaturregelung dimensioniert wird. Die Toleranzen der Signalaufbereitungseinheit 5 werden dadurch kompensiert. Die Innenwiderstandsmessung wird dabei nicht unterbrochen.
  • Eine Offsetkorrektur der Signalaufbereitungseinheit 5 wird dann durchgeführt, wenn kein anderes Signal verarbeitet werden muss. Dazu wird der Eingang der Signalaufbereitungseinheit 5 durch einen Schalter kurzgeschlossen (Ue = 0) und durch einen weiteren Schalter auf ein definiertes Gleichtaktpotential gelegt. Dabei wird dieselbe Abtastzeit wie bei der Erfassung der übrigen Messwerte vorgegeben. Der digitalisierte Wert wird zur Korrektur der Messwerte verwendet. Die Offsetkorrektur wird für jede Verstärkung der Signalaufbereitungseinheit 5 und für den Analog-Digital-Wandler durchgeführt. Der Lambda-Signalfluss wird dabei nicht unterbrochen.
  • Erfolgt die Datenübermittlung über die Digitalschnittstelle 8 zum uC in Form einer Übertragung eines Datenbursts, dann werden zunächst mehrere Lambdawerte bzw. die Tastverhältnisse mehrere Taktperioden gesammelt, um dann zusammen mit Innenwiderstandsinformationen und den Kalibrierwerten in einem Datenpaket übertragen zu werden. Zur Herstellung einer zeitlichen Zuordnung zum Motortakt wird - wie bereits oben ausgeführt wurde - vom Steuergerät ein Kurbelwellentriggersignal bereitgestellt, von dem ausgehend für jede Übertragung eine Zeitmarke ausgewählt werden kann.
  • Die nachfolgende Auflistung zeigt Beispiele für mögliche Verwendungen von erhaltenen Messwerten, bei denen es sich stets um Spannungen handelt, die am jeweiligen Anschluss der Steuer- und Regeleinheit bei den jeweils vorgegebenen Betriebsbedingungen vorliegen:
    • Un0: RE-IPE, Ip=0, Ipr=0
    • Reger-Ist-Wert für Un-Erfassung in der Pulspause
    • (Un0-Regler)
    • Ri: RE-IPE, Ip=0, Ipr>0 → Un; Ri ≈ Un-Un0
    • Temperaturregelung, Kabelabfalldiagnose RE, IPE
    • Up0: APE-IPE, Ip=0, Ipr=0
    • Blackening-Schutz, Alterungsdiagnose, Ipcal-Aktivierung, Riape-Messung, Führungsgröße für Grenzstrombetrieb
    • Up: APE-IPE, Ip>0, Ipr=0
    • Kabelabfalldiagnose APE, IPE, Riape-Messung
    • LSF: LSF-Diagnosefunktion → Lambda-Sprung aus Un0-Up0
    • Rcal: RCAL-GND, Ipr an Rcal
    • Kalibrierung Ri-Messung, Ipref-Korrektur für Lambdakennlinie
    • Ipcal: APE-MES, Ip an Rmess
    • Pumpstrom-Kalibrierung
    • Rzu: RE-IPE, Ip>0, Ipr=0
    • Korrektur Ri-Messung Pumpzelle, Sollwertkorrektur Unav-Regelung, Kabelabfall-Erkennung
    • Rgnd: RG-GND, Ip>0 bei Gegenpulsbetrieb
    • Ip-Bestimmung zur Kabelabfallerkennung Rcode.
  • Die Figur 3 zeigt zwei Ausführungsbeispiele für eine Signalaufbereitung in der Signalaufbereitungseinheit 5.
  • Gemäß dem in der Figur 3a gezeigten Ausführungsbeispiel werden an einen Multiplexer MUX1 die Potentiale angelegt, die an den Anschlüssen APE, IPE, REM, APM, CAL, MEM, GND und RG der Auswerte- und Steuereinheit 1 vorliegen. Der Multiplexer MUX1 wird von der Steuerung 10 mit Schaltersteuersignalen smux beaufschlagt, so dass an einen nachgeschalteten Differenzverstärker Diff zwei jeweils zu erfassende Potentiale weitergegeben werden. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um Uep und Uem, d. h. die Potentiale, die an den Anschlüssen REM und IPE oder APM und IPE oder APE und MEM oder CAL und GND oder RG und GND der Auswerte- und Steuereinheit 1 vorliegen. Der Differenzverstärker verstärkt das Differenzsignal und gibt es mit definiertem Potentialbezug an den nachfolgenden Analog-Digital-Wandler 6 weiter.
  • Bei dem in der Figur 3b gezeigten Ausführungsbeispiel werden an einen Multiplexer MUX2 die Potentiale angelegt, die an den Anschlüssen RE, IPE, APE, MES, RG, CAL und GND der Auswerte- und Steuereinheit 1 vorliegen. Die in der Figur 1 dargestellten Anschlüsse REM, APM und MEM sowie die Filter Rfr-Cfr, Rfp-Cfp und Rfm-Cfm können bei diesem Ausfürhungsbeispiel entfallen. Der in der Figur 2 gezeigte Multiplexer MUX2 wird von der Steuerung 10 mit Schaltersteuersignalen smux beaufschlagt. Ein Ausgang des Multiplexers MUX2 ist über Ohmsche Widerstände MUM und Rf1 sowie einen Kondensator Cf1 mit Masse verbunden. Der andere Ausgang des Multiplexers MUX2 ist über Ohmsche Widerstände MUP und Rf2 sowie einen Kondensator Cf2 mit Masse verbunden.
  • Der masseferne Anschluss des Kondensators Cf2 ist über einen Ohmschen Widerstand REP mit einem Eingang eines Differenzverstärkers Diff verbunden. Der masseferne Anschluss des Kondensators Cf1 ist über einen Ohmschen Widerstand REM mit dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers Diff verbunden. Zwischen dem massefernen Anschluss des Kondensators Cf1 und dem massefernen Anschluss des Kondensators Cf2 ist ein Kondensator Cfd geschaltet. Bei den an den Eingängen des Differenzverstärkers Diff anliegenden Signale handelt es sich um die Potentiale, die an den Anschlüssen RE und IPE oder APE und IPE oder APE und MES oder CAL und GND oder RG und GND der Steuer- und Reglereinheit 1 anliegen. Der Differenzverstärker verstärkt das Differenzsignal und gibt es mit definiertem Potentialbezug an den nachfolgenden Analog-Digital-Wandler 6 weiter.

Claims (21)

  1. Auswerte- und Steuereinheit (1) für eine Breitband-Lambdasonde, mit
    - einer Signalaufbereitungseinheit (5),
    - einem der Signalaufbereitungseinheit nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler (6),
    - einem dem Analog-Digital-Wandler nachgeschalteten digitalen Pumpstromregler (7),
    - einer mit dem digitalen Pumpstromregler verbundenen Digitalschnittstelle (8),
    - einer mit dem digitalen Pumpstromregler verbundenen Steuerung (10),
    - einer Pumpstromquelle (11) zur Bereitstellung eines Pumpstromes,
    - einem inneren Pumpelektrodenanschluss (IPE),
    - einem äußeren Pumpelektrodenanschluss (APE) und
    - einem Referenzelektrodenanschluss (RE), wobei
    - die Signalaufbereitungseinheit (5) zur Ermittlung eines Istwertes für den Pumpstromregler (7) der Lambdasonde vorgesehen ist und wobei
    - die Signalaufbereitungseinheit (5) des Weiteren zur Ermittlung von weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde vorgesehen ist und wobei
    - die weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde über die Digitalschnittstelle (8) ausgebbar sind,
    wobei die Signalaufbereitungseinheit (5) einen von der Steuerung (10) gesteuerten Multiplexer und einen Differenzverstärker umfasst, wobei der Multiplexer jeweils zwei zu erfassende Potentiale mit den Eingängen des Differenzverstärkers verbindet, der das Differenzsignal verstärkt und mit definiertem Potentialbezug an den Analog-Digital-Wandler (6) weitergibt.
  2. Auswerte- und Steuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Signalaufbereitungseinheit (5) ermittelten weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde über einen Analog-Digital-Wandler (6) direkt der Digitalschnittstelle (8) zuführbar sind.
  3. Auswerte- und Steuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Signalaufbereitungseinheit (5) ermittelten weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde über einen Analog-Digital-Wandler (6) an einen Zwischenspeicher (9a) weitergeleitet und dort abgespeichert werden und die im Zwischenspeicher (9) abgespeicherten Informationen gesammelt in Form eines Datenbursts der Digitalschnittstelle (8) zuführbar sind.
  4. Auswerte- und Steuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Signalaufbereitungseinheit (5) ermittelten weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde über einen Analog-Digital-Wandler (6) an einen Zwischenspeicher (9a) weitergeleitet und dort an vorgegebenen Adressen abgespeichert werden und die an den vorgegebenen Adressen abgespeicherten Informationen über die Digitalschnittstelle (8) gezielt abrufbar sind.
  5. Auswerte- und Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstromquelle (11) über einen Schalter (S7) mit dem inneren Pumpelektrodenanschluss (IPE) und über einen Schalter (S6) mit dem äußeren Pumpelektrodenanschluss (A-PE) verbunden ist, die Steuerung (10) zur Bereitstellung von Schaltersteuersignalen (s6,s7) für den Schalter (S7) und den Schalter (S6) vorgesehen ist und die Steuerung (10) die Schaltersteuersignale (s6,s7) in Abhängigkeit von digitalen Ausgangssignalen des Pumpstromreglers (7) derart bereitstellt, dass am inneren bzw. äußeren Pumpelektrodenanschluss (IPE,APE) ein impulsförmiger Pumpstrom ausgegeben wird.
  6. Auswerte- und Steuereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der impulsförmige Pumpstrom eine feste Frequenz, ein variables Tastverhältnis und ein einstellbares Vorzeichen aufweist.
  7. Auswerte- und Steuereinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Betriebsfälle vorgesehen sind:
    A: Up0 > 0, Ip > 0:
    Schalter (S6) zwischen der Pumpstromquelle (11) und dem äußeren Pumpelektrodenanschluss (APE) geschlossen; der innere Pumpelektrodenanschluss (IPE) ist mit Masse (GND) verbunden;
    B: Up0 < 0, Ip < 0:
    Schalter (S7) zwischen der Pumpstromquelle (11) und dem inneren Pumpelektrodenanschluss (IPE) ist geschlossen; der äußere Pumpelektrodenanschluss (APE) ist mit Masse (GND) verbunden;
    C: Up0 > 0, Ip < 0:
    Schalter (S7) zwischen der Pumpstromquelle (11) und dem inneren Pumpelektrodenanschluss (IPE) ist geschlossen; der äußere Pumpelektrodenanschluss (APE) ist über einen Widerstand (RGND) mit Masse verbunden;
    D: Up0 < 0, Ip > 0:
    Schalter (S6) zwischen der Pumpstromquelle (11) und dem äußeren Pumpelektrodenanschluss (APE) ist geschlossen; der innere Pumpelektrodenanschluss (IPE) ist über einen Widerstand (RGND) mit Masse verbunden.
  8. Auswerte- und Steuereinheit nach einem der Ansprüche 5 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungseinheit (5) den Istwert für den Pumpstromregler, den Innenwiderstand der Breitband-Lambdasonde und die weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde während der Impulspausen und während des Stromimpulses des impulsförmigen Pumpstromes ermittelt.
  9. Auswerte- und Steuereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungseinheit (5) in jeder Impulspause Daten zur Ermittlung des Istwertes für den Pumpstromregler erfasst.
  10. Auswerte- und Steuereinheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungseinheit (5) in aufeinanderfolgenden Impulspausen Daten zur Ermittlung unterschiedlicher weiterer Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde erfasst.
  11. Auswerte- und Steuereinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungseinheit (5) die Daten zur Ermittlung unterschiedlicher weiterer Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde zyklisch erfasst.
  12. Auswerte- und Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Referenzstromquelle (12) enthält.
  13. Auswerte- und Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere weitere Schalter (S1,S2,S3,S4,S5,S8,S9,-S10,S11,S12) aufweist und die Steuerung (10) zur Bereitstellung von Schaltersteuersignalen (s1,s2,s3,s4,s5,s8,-s9,s10,s11,s12) für diese weiteren Schalter vorgesehen ist.
  14. Auswerte- und Steuereinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) die weiteren Schalter derart steuert, dass in den Impulspausen vorgegebene der weiteren Schalter geschlossen werden, um einen gewünschten Anschluss der Auswerte-und Steuereinheit mit einem gewünschten Bezugspotential zu verbinden.
  15. Auswerte- und Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Parameterspeicher (9b) aufweist, in welchem Datensätze abgespeichert sind, welche einer vorgegebenen Regelcharakteristik des digitalen Reglers (7) entsprechen.
  16. Auswerte- und Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der weiteren Informationen eine Information über das Vorliegen eines Kabelkurzschlusses oder eines Kabelabfalls ist.
  17. Auswerte- und Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu den weiteren Informationen Informationen über die Ladungszustände der Elektroden der Breitband-Lambdasonde in verschiedenen Betriebszuständen der Breitband-Lambdasonde gehören.
  18. Auswerte- und Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der weiteren Informationen eine Information über eine Überspannung an einer Elektrode ist.
  19. Auswerte- und Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der weiteren Informationen eine Information über die Alterung der Breitband-Lambdasonde ist.
  20. Auswerte- und Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der weiteren Informationen eine Information über den Lambda1-Durchgang ist.
  21. Auswerte- und Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der weiteren Informationen eine Information über die Betriebsbereitschaft der Breitband-Lambdasonde ist.
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